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高頻絕緣材料的介電常數(shù)和介質損耗因數(shù)的測量
閱讀：5067發(fā)布時間：2018-5-11
高頻絕緣材料的介電常數(shù)（相對電容率）和
介質損耗因數(shù)（tanδ）的測量
一,、介電常數(shù)（相對電容率）εr
１.εr的定義
電容器的電極之間及電極周圍的空間全部充以絕緣材料時,，其形成的電容量CX與同一個結構形成的在真空中的電容量CO比,。
εr = CX / CO ( 1 )
由于在標準大氣壓下，不含二氧化碳的干炒空氣的相對電容率εr 等于
1.00053,，近似與１,。因此，在一般測量中,，都以該結構在空氣中形成的電容量CO來替代真空中的電容量CO,。
２.平板電容的εr
因為在絕緣材料的測量中，一般都采用平板電容的結構,。平板電容在空氣中的電容量為 CO?。?/strong>εO S / D 4 ；當平板電容二極片之間夾入絕緣材料時，平板電容二極片之間的電容量為 CＸ?。?/strong>εr S / D 2 ,，如 果 令 CO ＝ CＸ ,。則可獲得下面公式２的絕緣材料介電常數(shù)計算式（εO ≈ 1）,。
３.εr的測量
利用ZJD-B型或ZJD-C型高頻Q表和S916型介電常數(shù)/介電常數(shù)數(shù)顯測量裝置能很方便地實現(xiàn)介電常數(shù)εr 的測量。具體步驟如下：
（1）選擇一臺測試頻率能滿足測試要求的Q表,，按Q表的操作說明,，接通Q表電源后。根據(jù)測試的要求,，設定一個測試頻率,。將Q表的主調電容，調至中間值,。然后選配一個與測試頻率相適應的高Q值電感線圈，插入Q表頂部標有電感符號的接線柱上,。（該電感的值應能保證主調電容在中間值與大值之間調節(jié)時,，能找到一個諧振點）
（2）將S916型測量裝置上的二夾具插頭插入Q表頂部標有電容符號的接線柱上。按S916的操作說明,，開啟電源,；調節(jié)測量裝置的測微桿，使平板電容器二極片相接為止,，然后將S916此時顯示的值校準為“0”,。
（3）將被測的絕緣材料夾入到平板電容器二極片之間。絕緣材料表面應平整,、光滑,。尺寸、形狀應與電容器極片相一致,。調節(jié)測量裝置的測微桿,，使平板電容器二極片夾住樣品止。
（４）調節(jié)Q表的主調電容,，使 Q表上顯示的Q值達到大值,。讀取S916測試裝置液晶顯示屏上此時顯示的絕緣材料厚度值，計為D 2,。
（５）取出二極片之間被測的絕緣材料,，這時Q表又失諧，此時順時針調節(jié)測量裝置的測微桿（保持Q表的主調電容值不變）,，重新使 Q表上顯示的Q值達到大值,，讀取測試裝置液晶顯示屏上的數(shù)值記為D ４。
（６）計算出被測的絕緣材料的介電常數(shù)εr
εr = D ２ / D 4 ( ２ )
二、介質損耗因數(shù)（tanδ）
1.介質損耗因數(shù)（tanδ）的定義
一個有損耗的電容器都可以用一個純電容CS和一個電阻RＣS的串聯(lián)來表示（也可以用一個純電容CP和一個電阻RP的并聯(lián)來表示,，它們表達的結果是一致的）,。
這樣一個有損耗的電容器的介質損耗因數(shù)定義為在電阻上損耗的功率與電容CS上的無功功率之比。如果流過的電流為IS,，則該電容器的介質損耗因數(shù)的正玄值為：
（３）
從上面的公式中可看出介質損耗因數(shù)與頻率,、電容值和損耗電阻值都是有關聯(lián)的
2.介質損耗因數(shù)與元件品質因數(shù)Q值之間的關系
同樣，一個有損耗的電容器的品質因數(shù)定義為在電容CS上的無功功率與在電阻上損耗的功率之比
（４）
從上面的公式中可見,，介質損耗因數(shù)與元件品質因數(shù)Q值之間互為倒數(shù)的關系,。因此，利用Ｑ表來測量介質損耗因數(shù)是很可行的方法,。
Ｑ表是采用諧振法來測量元件品質因數(shù)Q值的,，因此Ｑ表都自帶有一個可變的電容器（都采用高Ｑ值的以空氣為介質的電容器）；一個信號穩(wěn)定的信號源,。在外配一個合適的電感器后,，Ｑ表都能在信號源頻率所能覆蓋的范圍內，找到一個頻率諧振點ωo ,。在沒有其它外加損耗器件時,，Ｑ表諧振回路的Ｑ值為：
因為空氣介質電容器的QＣ ＞＞ QL（電感Q值），所以有
Q1 ≈ QＬ （５）
當在空氣介質電容器兩端并聯(lián)一個帶損耗的電容器時,，此時上面的公式不能再成立,，如果這時Ｑ表諧振時的Ｑ值為Q２，則有
此時的電容器的介質損耗因數(shù)為：
（６）
空氣介質電容器兩端并聯(lián)一個帶損耗的電容器的等效電路圖如下,。
Ｒ２,、ΔＣ分別為帶損耗電容器的等效損耗電阻和電容值。Ｃ１－ΔＣ為空氣介質電容器的電容值,。
根據(jù)阻抗相等的原則有
１/（Ｒ２＋１/ωΔＣ）＋ω（Ｃ1－ΔＣ）＝１/（Ｒ1＋1/ωＣ1）
對上式整理后有
因為空氣介質電容器的損耗可忽略,，因此可認為電容的損耗就是并聯(lián)的帶損耗電容器的損耗；既ωＲ２ΔＣ＝ωＲ1Ｃ1,。整理上式后可得：
Ｒ２ ＝Ｒ1Ｃ1２/ΔＣ２
由此可得到并聯(lián)的帶損耗的電容器的介質損耗因數(shù)為：
tanδ＝ωΔＣＲ２ ＝ωΔＣＲ1Ｃ1２/ΔＣ２＝ωＲ1Ｃ1Ｃ1/ΔＣ
將上與式（６）相比較,，則有：
３. 介質損耗因數(shù)（tanδ）的測量
利用ZJD-B型或ZJD-C型高頻Q表和S916型介電常數(shù)/介電常數(shù)數(shù)顯測量裝置能很方便地實現(xiàn)介質損耗因數(shù)tanδ 的測量。因為在這兩款高頻Q表中,，專門增加了介質損耗因數(shù)的測量程序,，設置了測試按鍵，在顯示屏上可直接讀得介質損耗因數(shù)tanδ值,。從而省去了以往復雜的計算工作,。具體步驟如下：
（1）選擇一臺測試頻率能滿足測試要求的Q表，按Q表的操作說明,，接Q表電源后,。根據(jù)測試的要求，設定一個測試頻率。將Q表的主調電容,，調至較大值,，為后面接入測量裝置和被測材料時增加的電容，預留出空間,。然后選配一個與測試頻率相適應的高Q值電感線圈,，插入Q表頂部標有電感符號的接線柱上。（該電感的值應能保證主調電容在不帶有被測材料時,，在中間值與大值之間調節(jié)時能找到一個諧振點）,。本公司為 Q表配套使用的LKI-1電感組能滿足要求，如：1MHz 時電感取250uH,，15MHz時電感取1.5uH,。
（2）將S916型測量裝置上的二夾具插頭插入Q表頂部標有電容符號的接線柱上。按S916的操作說明,，開啟電源,。
（3）測出損耗測試裝置在測試狀態(tài)下的機構電容CZ，步驟如下：
a. 將被測的絕緣材料樣品夾入到平板電容器二極片之間,。絕緣材料表面應平整,、光滑。尺寸,、形狀應與電容器極片相一致。調節(jié)測量裝置的測微桿,，使平板電容器二極片夾住樣品止,。（注意調節(jié)時要用測微桿，以免夾得過緊或過松）,。 然后取出平板電容器中的樣品,，但要保持平板電容器間的間距不變。
b. 改變Q表上的主調電容容量,，使Q表處于諧振點上（既使 Q表上顯示的Q值達到大值）,；電容讀數(shù)記為C1。
c. 然后取下測試裝置,，再改變Q表上的主調電容容量,，重新使之諧振，電容讀數(shù)記為C3,，此時可計算得到測試裝置的電容為CZ = C3 －C1,。
（4）介質損耗因數(shù)的測試
a. 重新把測試裝置上的夾具插頭插入到Q 表測試回路的“電容”兩個端上。
把被測樣品插入二極片之間,，改變Q表上的主調電容容量,，使Q表處于諧振點上。然后按一次 Q表上的小數(shù)點（tgδ）鍵，在顯示屏上原電感顯示位置上將 顯示C0= x x x,，此時可輸入分布電容值,。分布電容值為機構電容CZ和電感分布電容C0（參考電感的技術說明）的和。分布電容值輸入的有效位為3位,，0.1pF至99.9 pF,，輸入時不需輸入小數(shù)點，只需輸入3位有效數(shù),。例0.1pF,，只需輸入
001；99.9pF,，只需輸入999,。同時，顯示屏上原C和Q顯示變化為C2和Q2,。它表示的是現(xiàn)在的主調電容容量和回路Q值,。
b．取出平板電容器中的樣品，（保持平板電容器間的間距不變）這時Q表又失諧,，再改變Q表上的主調電容容量,，使Q表重新處于諧振點上。
c. 第二次按下 Q表上的小數(shù)點（tgδ）鍵,，顯示屏上原C2和Q2顯示變化為C1和Q1,，同時顯示出所測試的絕緣材料樣品的介質損耗因數(shù)tn =．x x x x x ，完成測試后,。第三次按下 Q表上的小數(shù)點（tgδ）鍵,，既退出介質損耗系數(shù)的測試。
（5）測試中應注意的幾個事項
a. 介質損耗因數(shù)的測試中,，因存在測試裝置對材料樣品夾的松緊問題,，以及材料樣品的厚度均勻問題和儀表的誤差，所以每次的測量結果存在不一致,。因此,，需多次測量，取其平均值,。
B．在測量損耗因數(shù)極小的材料時,，應仔細調諧Q值的諧振點，Q值應到小數(shù),。
（6）.出錯提示,，當出現(xiàn)tn = NO 顯示時，說明測試時出現(xiàn)了差錯,，發(fā)生了Q1 ≤ Q2和C1 ≤ C2的錯誤情況,。
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